109 民航特考三等 適航檢查 航空電子 考古題詳解

核心觀念

無線電波離開發射天線後，會因頻率、地表性質、大氣狀態及天線高度不同，沿不同路徑抵達接收天線。本題要區分三種基本傳播方式：

• 地波（ground wave）：沿地球表面傳播，會受地表導電率與介電特性影響。
• 天波（sky wave）：射向高空的電波經電離層折射後返回地面，適合遠距離通信。
• 直接波（direct wave）：由發射天線直接傳到接收天線，通常屬視距傳播；實際接收時也可能與地面反射波共同形成空間波傳播。

三者的關鍵差異在於電波「沿地表前進」、「經電離層折返」或「直接視距抵達」。

解題方法

作答時逐一說明各種波的傳播路徑、主要影響因素、常用頻率範圍與通信距離，再補充航空通信中直接波的視距特性。地波、天波與直接波並非互斥的頻段分類，而是依主要傳播路徑區分。

一、地波

地波沿地球表面傳播，可繞射而略越過地平線。地表會吸收電磁能量，因此訊號強度隨距離增加而衰減；地表導電率越高，通常越有利於地波傳播。海面導電率高，傳播條件一般優於乾燥地面。

地波常見於低頻及中頻通信，尤其是長波、中波範圍。頻率升高時，地表吸收通常加劇，地波可用距離縮短。航空導航中的 NDB（無方向性無線電標）利用低頻或中頻訊號，傳播會受到地波及天波等因素影響。

二、天波

天波由天線向上輻射，進入電離層後因電子密度變化而折射，彎回地面，使訊號能越過地球曲率到達遠方。電離層不是一般意義上像鏡面般反射電波；考試中常說「電離層反射」，更精確的描述是電離層折射使電波返回地面。

天波主要用於高頻（HF，約 3 至 30 MHz）遠距離通信。傳播效果受頻率、電離層電子密度、日夜、季節及太陽活動影響。同一頻率與發射條件下，電波可能無法在發射端附近立即返回地面，形成跳躍距離；跳躍距離以內若地波也無法涵蓋，便可能出現跳躍區或通信盲區。

三、直接波

核心觀念

本題考查新一代航管系統中駕駛艙交通資訊顯示器（CDTI）的組成與資訊流程，以及廣播式自動回報監視（ADS-B）如何提供交通監視資料。作答應依序說明「交通資料來源、機載接收與處理、駕駛艙顯示」，再交代 ADS-B 的運作原理、優點及發展限制。

CDTI 是駕駛艙內呈現周遭航空器與相關交通資訊的顯示設備，本身不是獨立的監視感測器。它可整合 ADS-B、機載防撞系統（TCAS／ACAS）、機載雷達，以及資料鏈或地面航管系統提供的資訊。實際可用的資料來源，取決於航空器裝備與系統整合方式。

ADS-B 的名稱分別代表：

• Automatic（自動）：由機載系統自動取得並傳送資料，無須飛行員逐次要求。
• Dependent（依賴）：位置等資訊依賴機載導航系統，例如全球衛星導航系統（GNSS）。
• Surveillance（監視）：傳送航空器狀態，供其他航空器或地面系統監視。
• Broadcast（廣播）：以廣播方式傳送，接收端不需先與發射端建立個別連線。

解題方法

一、先按資料流程說明 CDTI 架構

可用「資料來源 → 機載處理 → 駕駛艙顯示」作答：

1. 資料來源：ADS-B 接收機取得附近航空器廣播的位置與識別資料；TCAS／ACAS 可提供鄰近航空器的相對位置或防撞相關資訊；其他機載感測器及資料鏈也可供整合。
2. 機載處理：航電系統解碼與整合資料，依資料來源、品質及用途進行篩選、關聯與顯示處理。
3. 駕駛艙顯示：CDTI 將周遭交通以符號呈現，並可附上識別碼、高度、航跡、速度、位置或距離等資訊；顯示器也可設有範圍、選擇或標示功能，協助飛行員理解交通態勢。

CDTI 可整合不同來源的交通資訊，但顯示內容仍受限於實際裝備、資料涵蓋範圍與資料品質。

二、再說明 ADS-B 的運作方式

航空器利用機載導航設備取得自身位置，並由航電系統產生包含識別、位置、高度、速度、航跡及其他狀態的資料。ADS-B Out 將這些資料以週期性廣播方式傳送；地面站可接收並提供航管監視，具備 ADS-B In 的航空器則可接收附近航空器資料，供 CDTI 等機載系統使用。

可將資訊流概括為：

核心觀念

本題考 GPS 的衛星測距定位原理，以及 GPS 訊號易受遮蔽、干擾與誤差影響時，如何與慣性導航系統（INS）互補。GPS 提供長時間穩定、不累積漂移的絕對位置與速度；INS 則可在短時間內連續提供位置、速度與姿態資訊，且不依賴外部無線電訊號。

解題方法

回答時依序說明 GPS 如何由衛星訊號求出位置，再整理其優缺點，最後指出與 GPS 互補的系統及整合效益。定位原理的關鍵是：衛星播送已知軌道位置與精確時間，接收機以訊號傳播時間估算距離，並由多顆衛星的測距方程求解接收機位置與時鐘誤差。

（一）GPS 工作原理、優缺點

1. 工作原理

GPS 由太空衛星、地面控制與監測設施，以及使用者接收機構成。衛星持續播送導航訊息，包含衛星軌道資料、衛星時鐘資訊及系統時間。接收機接收至少四顆衛星的訊號，依訊號傳播時間估算各衛星至接收機的距離，並利用衛星已知位置進行三維定位。

衛星與接收機的距離以偽距表示：

其中，$\rho_i$ 為第 $i$ 顆衛星的偽距，$c$ 為光速，$t_r$ 為接收機接收訊號的時間，$t_{s,i}$ 為衛星播送訊號的時間。由於接收機時鐘通常不如衛星原子鐘精確，偽距還包含接收機時鐘誤差；因此，三維位置的三個未知數之外，還須同時求解接收機時鐘偏差，通常需至少四顆衛星的測距資料。

接收機以各衛星已知的空間位置及量得的偽距建立方程，聯立求得使用者位置與時鐘偏差。透過連續定位結果，亦可估算速度與航跡。

2. 優點

• 全球涵蓋：在衛星幾何條件良好且訊號可接收處，可提供全球性的定位與導航服務。
• 全天候運作：不受日夜或一般天候影響，適合航空導航使用。
• 精度佳：可提供精確的位置與速度資訊，支援航路導航及進場程序。
• 不需地面導航台密集布設：減少對地面導航設施的依賴，並可支援偏遠或海洋區域導航。
• 可提供共同時間基準：衛星時間可用於時間同步及相關導航、監視應用。

3. 缺點

• 依賴接收衛星訊號：訊號到達地面時功率很弱，易受地形、建物、機體結構遮蔽，亦可能因天線視野受限而失去衛星訊號。
• 易受干擾與欺騙：蓄意或非蓄意的射頻干擾會降低定位品質；欺騙訊號可能造成錯誤定位。
• 誤差來源多：衛星時鐘與星曆誤差、大氣延遲、多路徑效應、接收機雜訊及衛星幾何分布等，都會影響定位精度。

核心觀念

慣性導航系統（INS）是一種不依賴外部無線電訊號的自主導航系統。它量測載具的角運動與線運動，再依初始位置、速度及姿態，逐步推算載具的姿態、速度與位置。

（一）主要感測器組成

INS 的核心感測器是：

1. 陀螺儀（gyroscope）：量測載具相對慣性空間的角速度，提供姿態與方向變化資訊。傳統平台式 INS 使用陀螺儀穩定慣性平台；捷聯式 INS 則將陀螺儀固定在載具上，由電腦進行座標轉換。
2. 加速度計（accelerometer）：量測載具的比力（specific force），經座標轉換並補償重力後，可積分求得速度與位置變化。

典型三維 INS 使用三個互相垂直方向的陀螺儀與三個互相垂直方向的加速度計，合稱 三軸陀螺儀與三軸加速度計。此外，系統還需要導航電腦與初始位置、速度、姿態等資料，但它們不屬於核心慣性感測器。

（二）設計原理或定律

INS 的設計基礎是牛頓力學，核心為牛頓第二運動定律及慣性空間中的角動量／角速度量測。

加速度計量得比力 $\mathbf{f}$，在導航座標系中補償重力與座標系轉動效應後，得到載具加速度；再經兩次積分，推算速度與位置：

陀螺儀量得角速度，用來更新載具姿態，將加速度計在機體座標系量得的比力轉換至導航座標系。完整導航計算須考慮重力、地球自轉及導航座標系的轉動；INS 依此由初始條件連續推算位置、速度與姿態。

（三）優缺點及克服先天缺點的技術

優點

• 自主性高：不依賴地面導航台或衛星訊號，無須外部訊號即可持續導航。
• 即時且連續：可提供位置、速度、姿態及角速度等資料，適合飛行控制與導航。
• 不易受外界干擾或欺騙：不仰賴無線電導航訊號，具備一定的抗干擾能力。